테이프 캐스팅된 Park-Rapp구조의 고체전기화학식 수소센서를 이용한 변압기 오일 열화 감지 시스템에 관한 연구

Abstract

전력계통의 고장의 대부분이 변압기의 고장사고로부터 기인하는데 변압기 사고는 대부분 절연재료의 열화가 진행됨에 따라서 전기적, 기계적 성능이 저하하여 결국 절연파괴가 일어나면서 발생하게 된다. 절연유가 열화하게 되면서 각종 가스가 발생하게 되는데 주로 수소 및 탄화수소계 가스인 $H_2$, CO, $CO_2$, $C_2H_2$, $C_2H_4$ 등이 발생한다. 이 중 가장 주된 가스가 $H_2$이며, 이를 측정함으로서 변압기 오일의 열화 여부를 판단할 수 있다. 본 연구에서는 산소이온 전도체인 YSZ와 수소이온전도체인 CZI를 이종접합하여 공기중 존재하는 산소(0.21atm)를 reference로 사용하는 Park-Rapp probe로 $H_2$ 농도 측정하였다. 소형화된 센서를 위해 테이프캐스팅 기술을 이용하여 61.5 x 5 x 1.7 크기의 센서를 제작하였으며, 단열과 안정된 반응을 위해 Pd호일과 $Al_2O_3$ 컨테이너를 이용한 패키징을 완성하였다. 소형 챔버에서 Gas test 결과 히터인가 전압 8V일 때 81mV/dec.의 반응을 보였으나 패키징된 센서를 유류에 담구어 센서 반응성을 측정시에는 센서가 반응하지 않았다. 고립된 Air상태에서 유증기에 의한 센서의 반응도를 측정시에 히터전압 8mV 인가시 5mV/dec.의 반응을 보였다. 이는 유증기를 통한 새로운 구조로 오일내 수소를 측정함으로서 오일열화를 조기에 방지하고 사고예방에 기여할 수 있음을 보여준다. 이를 위한 측정 Prototype을 디자인하여 연구개발 시 상용화 가능성이 매우 크다고 판단된다. 또한 본 연구실에서 연구된 CO sensor와 $C_4H$ sensor를 결합하여 측정시 군내 변압기에 대한 심층분석, 군차량 엔진오일 교환시기 자동감지, 유류저장간 품질유지 감지, 유류검수 등 다양한 분야에서 활용이 가능하다.